Изменение аэродинамических свойств и эффективности в циклонных аппаратах посредством численных и натурных исследований Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.928.94

А. Т. Замалиева, Г. И. Беляева ИЗМЕНЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ В ЦИКЛОННЫХ АППАРАТАХ ПОСРЕДСТВОМ ЧИСЛЕННЫХ И НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Ключевые слова: циклон, фильтр, сепарация, степень очистки, метод моделирования.

Целью исследования является выявление способов повышения эффективности, надежности процесса пылеулавливания и улучшения аэродинамических свойств циклонных аппаратов. Представлены сравнительные экспериментальные исследования, проведенные на опытном образце циклонного фильтра, в результате которых были выявлены степень осаждения частиц при разных физических параметрах. Проведены численные исследования движения потока воздуха на основе опытного образца циклона. Определены степени осаждения частиц в циклоне в зависимости в зависимости критических чисел Рейнольдса Rer, соответствующих сепарации частиц из потока, вращающегося в кольцевом сечении модели циклона. Выявлены изменения тангенциальных составляющих скоростей и статического давления в нескольких поперечных сечениях циклона на основе моделирования методами вычислительной гидродинамики (CFD, Computational Fluid Dynamics).

Keywords: the filter, separation, extent of cleaning, modeling method.

The purpose of this study is to identify ways to improve efficiency , reliability and dedusting process improve the aerodynamic properties of the cyclone apparatus. The comparative experimental studies carried out on a prototype of a cyclone filter , the result revealed the extent of particle deposition under different physical parameters . Numerical investigations of the airflow on the basis of a prototype of the cyclone. Defined degree of deposition ofparticles in the cyclone according to the dependence of the critical Reynolds number Rer, appropriate separation ofparticles from the flow rotating in a circular cross-section model of the cyclone. The changes of the tangential velocity and static pressure in the transverse sections of the cyclone simulation-based methods of computational fluid dynamics (CFD, Computational Fluid Dynamics).

Введение

Одним из наиболее распространенных и надежных способов очистки промышленных газов от взвешенных частиц является механическая очистка в циклонных аппаратах.

В циклоне при вращательном движении потока аэрозоля выделение взвешенных частиц при очистке выбросов производится в основном за счет инерционного осаждения. Эффективность отделения дисперсной части потока зависит от факторов, определяющих соотношение сил инерции и сопротивления: кривизны траектории, скорости и момента инерции частиц, вязкости потока. Поэтому степень очистки определяется конструктивными характеристиками аппарата и физическими характеристиками потока аэрозоля.

Сила инерции, действующая на частицы, взвешенные в потоке внутри циклона, стремится сместить их с криволинейных линий тока по касательным, направленным под некоторым углом вниз и к стенке корпуса. Частицы, соприкасающиеся с внутренней поверхностью стенки, под действием сил тяжести, инерции и опускающегося газового потока скользят вниз и попадают в пылеприемник (бункер). Частицы, не достигшие стенки, продолжают движение по криволинейным линиям тока и могут быть вынесены из циклона газовым потоком, который может захватить и некоторое количество осевших в бункер частиц [1].

Упрощенно считая, что траектории движения взвешенных частиц близки к окружностям, можно величину возникающей силы инерции принять пропорциональной квадрату

тангенциальной скорости, массе частиц и обратно пропорциональной радиусу вращения.

Поскольку инерционная сила

пропорциональна массе, то мелкие частицы улавливаются в циклонах плохо. Степень очистки аэрозолей с размерами частиц свыше 10 мкм находится в пределах 80—95%, а более мелких частиц - намного хуже [1], ввиду чего используются для первичной обработки выбросов. Для окончательной обработки за ними необходимо устанавливать фильтрующие аппараты тонкой очистки - волокнистые или тканевые фильтры. При этом процесс фильтрации в пористом слое реальной структуры является нестационарным, и оптимальные параметры работы действующих фильтров определяются опытным путем.

Экспериментальная часть и численные исследования

Одним из предлагаемых технических решений является циклонный аппарат, совмещающий обе ступени очистки.

Собрана и испытана по схеме экспериментальная установка - циклонный фильтрующий аппарат, состоящий из циклона, тканевого фильтра, контейнера с пылью, нагнетателя, и-образных манометров, патрона с сеткой, ткани Петрянова, который представлен в [2].

Теории циклонной сепарации посвящено множество работ. До последнего времени при теоретическом рассмотрении такой сепарации обычно принимали, что тангенциальная скорость частицы совпадает со скоростью среды, и рассматривали радиальную, относительную скорость, возникающую под действием

центробежной силы. Это утверждение справедливо для частиц пыли диаметром более 10 мкм [3].

В литературе приводятся формулы для определения минимального диаметра, т. е. размера наименьших частиц, полностью сепарирующихся из криволинейного потока в циклоне, в зависимости от скорости потока воздуха и геометрии циклонов [2]. Формулы различаются по написанию, но все выводятся из одного и того же условия, а именно равенства центробежной силы силе сопротивления среды:

.2

¥с = Зтсцу^ й

ту

=3лгарйц

(1)

Я р

где т - масса частицы, кг; и - скорость газового потока, принимаемая равной скорости газов во входном патрубке и скорости частиц, находящихся в газах, м/с; Я - расстояние от центра вращения газового потока (оси циклона) до частицы, м; тр -скорость движения частицы пыли в радиальном направлении к стенке циклона, м/с; й - диаметр пылинки, м; л - вязкость газовой среды, Н-с/м2.

Оказалось, что для расчета циклонов эти формулы неприменимы. Все они устанавливают чрезмерно высокую эффективность - полное отделение частиц размером 5-10 мкм. В действительности полное осаждение отдельных фракций не достигается и зачастую происходит проскок очень крупных частиц более 10 мкм. Наблюдается лишь повышение эффективности по мере увеличения размера частиц.

В теоретических расчетах принимают, что частицы аэрозоля, поступающие с воздушным потоком в циклон, имеют сферическую форму, при входе загрязненного потока в аппарат равномерно распределены по сечению. Частицы, которые при перемещении достигли стенок, осаждаются, хотя в действительности часть этих частиц будет выброшена в выхлопную трубу вследствие турбулизации потока [4].

При движении потока в циклоне режим течения газа является турбулентным. Режим движения характеризуется величиной числа Рейнольдса, вычисленному по внешним параметрам потока:

уТ • Д. Яе = -£-к-

(2)

где у - кинематическая вязкость газовой среды, V! -тангенциальная скорость газового потока, БК -диаметр канала (выхлопной трубы).

Для анализа поведения аэрозольных частиц необходимо рассмотреть поведение одиночной частицы под действием всех сил. В связи с тем, что плотность частицы р8 много больше плотности воздуха, частица, попадая в циклон с некой скоростью входящего потока, по инерции стремясь двигаться равномерно и прямолинейно, отклоняется при этом от оси циклона в сторону его внешней стенки. Согласно принятым допущениям, тангенциальная составляющая скорости частицы V! равна скорости потока [5].

Сила сопротивления движению частицы вычисляется по формуле Стокса:

где ¡1 - динамическая вязкость газовой среды, vR-радиальная составляющая скорости частицы, й -диаметр частицы.

В результате частица движется по криволинейной траектории. Очевидно, что чем меньше масса и чем больше вязкость газа (а, следовательно, и инерция) частицы, тем ближе ее траектория будет к окружности.

Возможность сепарации частицы вследствие того, что во вращающемся потоке с радиусом закругления Я она не может следовать за линией тока и по инерции продолжит движение в направлении касательной к ней и выражена через комплекс:

и0 (рр -Ро )2 РоЯ'п

= Яе.

(4)

который имеет структуру критерия Рейнольдса.

Соответствие чисел Яе. степеням осаждения в сепараторах циклонного типа было протестировано по аппаратам с достоверно известными характеристиками степени очистки выбросов. Так, для одного из наиболее распространенных типов циклонов - ЦН-11, с табличными значениями всех конструктивных параметров, известны следующие характеристики степени осаждения частиц: Д50 = 4,5-10-6 м, логарифм дисперсии размеров улавливаемых частиц = 0,352. При плотности выбросов ро = 1,293 кг/м3, дисперсии размеров взвешенных частиц ср = 2,2 (пыль обжига колчедана) для степени очистки 99% параметр осаждения х = 2,4 [1]. Размер В99 частиц, улавливаемых на 99%, полученный на основе соотношения для определения параметра

осаждения х = 1в (Пт/п50 ,

составит 70-10-6 м.

Результаты вычислений критических чисел Рейнольдса Яе., соответствующих сепарации частиц из потока, вращающегося в кольцевом сечении модели циклона, при скорости потока на входе и0 = (1...7) м/с и радиусах кривизны йм = 0,065м -

диаметр горловины циклона, = 0,1м -диаметр

корпуса циклона, йср = 0,0825 м -средний диаметр

циклона приведены в [2].

Расчеты показали, что степеням осаждения частиц в циклоне соответствуют строго определенные значения чисел Яе.. Так, степени осаждения 99% может быть сопоставлено число Яе. ~ 4-10-4 , а степени осаждения 50% - 7-10-9. В целом 10%-му увеличению степени очистки в циклоне соответствует рост численного значения Яе. на ~3,3-10-3.

По полученным данным можно сделать вывод, что степень осаждения частиц: Д50 = 3,4-10-6 м, при скорости потока 7 м/с. При плотности выбросов ро = 1,293 кг/м3, дисперсии размеров взвешенных частиц ср = 2,2 (пыль обжига колчедана) для степени очистки 99% параметр осаждения Б99 = 5,36-10-6 м при скорости потока 7 м/с. Значение числа Рейнольдса при этом 4,72-10-6 и

у

2,63-10- соответственно. При отсутствии электрических, магнитных и прочих полей воздействие потока на частицу реализуется через его вязкость.

При этом частица приобретает скорость и направление, совпадающие с параметрами несущей частицу линии тока, или же передаваемый импульс может оказаться недостаточным. При определении удельного действия ар, Па-с, частицы, вовлеченной потоком в движение, за характерный скоростной масштаб принята скоростьирт = Пр1 тМ,, м/с, с

^М р / М

которой частица проходила бы расстояние, равное ее диаметру, за время релаксации тМ, с. [6]. Она представляет зависимость инерционных свойств и сопротивления частицы от ее параметров и параметров потока. Ее порядок составляет для мелких частиц 1.. ,10-1 м/с, для средних и крупных -10-2.. ,10-3 м/с. С учетом вышеизложенного:

ap = fRp ¡upxw = 3^(u0Tw/R2 )

(5)

Отношение ар к п можно представить квадрат безразмерной характеристики действия

частицы Re'

in. p '

a

,/л=3я((т w/R2 )2 =(Rein )

(6)

полученный путем

Rec, покажет возможность

Параметр, сопоставления его с сепарации частицы вследствие того, что во вращающемся потоке с радиусом закругления Я2 она не может следовать за линией тока и продолжит движение по касательной к ней:

(Кер") = 12пц(ы0Т„/Я2 )2 ^ "0 (Р р-Ра )2 Р4р = Яег (7)

Rec

PGuo ( Ri05)2 27Рс^Л

27

Комплекс Яег имеет структуру критерия Рейнольдса и составлен посредством комбинации безразмерных параметров, выражающих соотношение энергий и действий частицы и вращающегося потока. Поэтому в вихревых потоках численные значения критерия Явг по (7) должны соответствовать степени осаждения частиц и могут использоваться для ее оценки в сходственных условиях [7].

Проведенные исследования показывают, что параметр Яег позволяет находить численные значения параметров очистки в сепараторах с вращательным движением многофазных потоков расчетным путем. С его помощью могут быть найдены фракционные коэффициенты очистки примеси, если известны параметры потока и конструктивные параметры аппарата,

определяющие средний радиус кривизны потока.

Посредством методов вычислительной гидродинамики выявлены изменения

тангенциальных составляющих скоростей и статического давления в нескольких поперечных сечениях циклона, которые представлены на рисунке 1.

-026 -02 -015 -005 О 005 01 0 15 02 0 25

Расстояние, м

-025 -0.2 -0.15 -0.1 -005

9.05 0 1 0 15 0 2 0.25

Расстояние м

б

Рис. 1 - Изменение статического давления (а) и тангенциальной скорости (б) внутри циклона, полученное с помощью методов вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics), где # - физический параметр во входной части циклона; V - физический параметр в центре циклона

Во всех сечениях в периферийной части потока наблюдается увеличение тангенциальной составляющей скорости по радиусу по мере удаления от стенок циклона. Давление падает по радиусу к центру циклона, достигая минимума на оси вращения. Можно с достаточной для практических целей точностью определить разряжение, которое устанавливается в пылесборном бункере циклона.

На периферии циклона профили тангенциальной скорости накладываются, а при приближении к выходному отверстию - расходятся.

С увеличением крутки положение максимума тангенциальной скорости смещается на периферию, а его относительная величина снижается [8]. Это обстоятельство объясняется затруднением проникновения газа, который переносит момент количества движения, из периферии в центральную область. С увеличением крутки величина относительного разрежения (отношение разрежения в центре камеры к избыточному давлению газа на входе в камеру) снижается, а относительный радиус зоны разрежения увеличивается. Отметим, что снижение максимума относительной тангенциальной скорости и относительного разрежения в центре с увеличение крутки сопровождается увеличением абсолютных значений этих характеристик при постоянном расходе.

В результате проведенных экспериментов выявлено, что на входной фильтрующей вставке улавливается около 75% пыли, на стенках оседает

а

20%, и около 5% задерживается выходным фильтром из ткани Петрянова. Можно сделать вывод, что конструктивное дополнение в виде фильтрующей ткани, где происходило инерционное осаждение пыли целесообразно.

В результате изучения образцов под микроскопом с 25-кратным увеличением, было заметно, что запыление оставляет на поверхности фильтрующей вставки спиральный след, представленный на рисунке 2, что имеет место при работе обычных циклонов без фильтрующих вставок, и наличии низкочастотных прецессий ядра закрученного потока, характерных для циклонов возвратно-поточного типа.

• "/■ ■-i /

4 m

- ^

J 7 ■ ■. <

* •> t4:

*; I v;

WMii*

ш

Ш;,

б

Рис. 2 - Образцы фильтрующей вставки а) до опыта, б) после опыта, запыленная

Таким образом, техническим результатом является повышение степени улавливания частиц тонкой дисперсной фазы за счет специальной вставки - тканевого фильтра. Разработка позволит достичь увеличения пропускной способности очистных аппаратов в 4 раза при повышении качества очистки газа, которое выражается в уменьшении размера частиц, улавливаемых на 50% (диаметра отсекания), со средних для циклонов значений 5-10 мкм до 0,4 мкм. Указанное улучшение качества очистки не требует дополнительной затраты энергии, что является одним из преимуществ перед аналогами: для уменьшения диаметра отсекания на 0,1 мкм после 1 мкм требуется не менее чем 15%-ное увеличение затрат энергии.

Литература

1. М.Г.Зиганшин, А.А.Колесник, В.Н.Посохин. Проектирование аппаратов пылегазоочистки: учебное пособие. Экопресс-ЗМ, Москва, 1998. 505с.

2. А.Т.Замалиева, М.Г.Зиганшин. Натуральные и численные исследования эффективности циклонного фильтра для очистки выбросов ТЭС: Международная научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития электротехнологии», Иваново, 2013. С. 100-103.

3. С.М.Орлов, Э.И.Дмитроченкова. Исследование усовершенствованного циклона как первой ступени очистки газа от пыли: Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. Изд-во Пензенского государственного университета, Макеевка, 2011. С.188-194.

4. А.Г.Ветошкин. Процессы и аппараты пылеочистки:учебное пособие. Пенза, 2005. 210с.

5. С.В.Плашихии, Ю.А.Безносик, Д.А.Серебрянский. Извлечение твердой фазы из газовой среды в циклоне с тангенциальным подводом. Восточно-европейский журнал передовых технологий, Украина, 2012. С.43-45.

6. Дж.Ейтс. Основы механики псевдоожижения с приложениями. Мир, Москва, 1986. 288 с.

7. М.Г.Зиганшин. Теоретические основы пылегазоочистки: учебное пособие. Изд-во КГАСУ, Казань, 2005. 262 с.

8. М.В. Василевский. Обеспыливание газов инерционными аппаратами: монография. Изд-во Томского политехнического университета, Томск, 2008. 258 с.

© А. Т. Замалиева - асп. каф. теплогазоснабжения и вентиляции КГАСУ, инженер ООО «Газпром трансгаз Казань», [email protected]; Г. И. Беляева - асп. той же кафедры, инженер ООО «Газпром трансгаз Казань», [email protected].

© A. T .Zamalieva - graduate student Kazan State University of Architecture and Engineering, Chair of heatgas supply and ventilation, engineer "Gazprom Transgas Kazan", [email protected]; G. I. Belyaeva - graduate student Kazan State University of Architecture and Engineering, Chair of heatgas supply and ventilation, engineer "Gazprom Transgas Kazan", [email protected].

а